《Journal of Environmental Management》：Improvement of simulating rain gardens to advance sustainable stormwater management
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雨花园设计参数对SWAT模型模拟效能的影响及流域应用研究。通过改进SWAT模型中雨花园实施区域、地表径流分配、旁路和孔口流量、渗透动态及次日尺度分辨率等关键过程，验证其在实验雨花园场尺度（R2=0.57，NSE=0.47）和奥斯汀Brentwood流域（减少径流量37.41%-65.02%，峰值流量43.62%-57.32%，溢流率42.81%-63.53%）的应用效果。研究表明：增加透水地表比例可显著降低各指标（最大降幅达74.56%），土壤改良深度影响较小（峰值流量变化率＜10%），表层蓄水面积与透水地表比例（最大降幅72.80%）、孔口高度（峰值流量降幅12.89%）及土壤类型（降幅≤9.9%）具有显著调控作用。
吴卓航|李思雨|刘耀泽|艾玛·C·马图恩|马哈茂德·Z·阿尔-法尔西|赫英古|陈静秋|冯晓宇|福阿德·H·贾贝尔
纽约州立大学奥尔巴尼分校环境与可持续工程系，美国纽约州奥尔巴尼市华盛顿大道1400号，邮编12222
摘要
雨水花园可以有效管理雨水径流。然而，现有的水文模型无法准确评估雨水花园的性能，这阻碍了决策的制定。本研究改进了“土壤与水资源评估工具”（SWAT）中雨水花园关键过程的模拟，包括实施区域、地表径流分布、旁路流量和孔口流量、渗透动态以及日内的时间分辨率。改进后的SWAT使用实地观测的雨水花园数据进行了校准/验证，结果显示模型表现良好。随后，该模型在德克萨斯州奥斯汀的布伦特伍德流域进行了应用，以评估不同雨水花园设计的长期影响。增加从透水/不透水区域流向雨水花园的径流比例显著减少了排放量（37.41%-65.02%）、峰值流量（例如43.62%-57.32%）和合流制污水溢流（CSO）（例如42.81%-63.53%）。较深的改良土壤层对排放量（64.86%-65.08%）、峰值流量（57.11%-57.39%）和CSO（63.35%-63.59%）的影响较小。雨水花园地表储存面积与透水面积的比例越大，排放量（56.81%-74.56%）、峰值流量（48.56%-67.55%）和CSO（54.87%-72.80%）的减少越明显。增加雨水花园地表储存层的深度和孔口距离地表储存层底部的高度可略微减少排放量（63.63%-67.75%）、适度降低峰值流量（55.83%-60.32%）并稍微减少CSO（62.35%-65.95%）。在不同类型的改良土壤中，从沙土、壤沙土到粘土，其在减少排放量（65.61%-63.34%）、峰值流量（57.87%-56.17%）和CSO（64.19%-61.86%）方面的效果略有差异。因此，改进后的SWAT可以为优化雨水花园设计提供有价值的决策支持。
引言
城市化显著增加了雨水径流的总量和峰值，给水文系统带来了持续挑战（Luo等人，2025；Li等人，2019a）。这些变化可能导致更频繁的洪水、地下水位补给减少以及城市溪流的基流降低（Tang等人，2024；Hossain等人，2024）。雨水径流还会通过将污染物带入附近水体而影响水质（Liu等人，2025）。在强降雨事件期间，合流制污水系统常常超出其容量，导致未经处理的废水溢出到环境中（Wang等人，2025）。为了缓解这些影响，低影响开发（LID）策略已被广泛用于城市雨水管理（Chen等人，2024a）。LID措施，如雨水花园、植被沟渠、生物滞留池、绿色屋顶和透水铺装，有助于恢复自然水文功能，同时改善城市美观并增加绿地（Loperfido等人，2014）。将LID纳入城市规划对于增强气候适应性和促进可持续水资源管理至关重要。
雨水花园是一种广泛采用的低影响开发（LID）措施，通过渗透、排水、蒸发、蒸腾和污染物去除来管理雨水径流（Chen等人，2024b）。它们通常建在地面以下，在降雨事件中起到天然过滤器的作用。其主要好处包括减少径流量和洪水风险，同时提高排放雨水的质量（Kasprzyk等人，2022）。
计算机模型已被证明是评估LID措施对流域尺度上水量和水质影响的有效工具（Chen等人，2019，2025；Li等人，2019b，2020；Wright等人，2016；Guo等人，2021；Xu等人，2018；Liu等人，2015a，2015b，2016a，2016b，2016c，2017a，2017b，2018；Rossman，2015；Shoemaker，2009）。例如，美国环境保护署（EPA）开发的雨水管理模型（SWMM）可以模拟雨水桶/蓄水池、透水铺装、块状铺路材料、绿色屋顶、植被沟渠、屋顶分离装置、生物滞留系统（包括工程化生物滞留系统和简单雨水花园）以及渗透沟渠的影响（Rossman，2015）。美国环境保护署开发的“城市雨水处理与分析集成系统”（SUSTAIN）用于评估LID措施对水质和水量的影响；这些LID措施包括生物滞留系统、雨水桶/蓄水池、人工湿地、干涸池塘、草皮沟渠、绿色屋顶、渗透池、渗透沟渠、多孔铺装、沙滤层和植被过滤带以及湿地（Shoemaker，2009）。为了在更大范围内（通常包括城市和农业用地）可持续管理流域，需要一个能够同时模拟农业和城市区域的计算机模型。然而，当前的计算机模型缺乏模拟农业区域或混合土地利用流域的能力。
“土壤与水资源评估工具”（SWAT）最初用于模拟农业流域的水文和水质（Liu等人，2017c，2019a，2019b，2024；Guo等人，2022；Ren等人，2022；Wang等人，2012），现已扩展到城市环境和LID措施（Her等人，2017；Her和Jeong，2018；Seo等人，2017；Li等人，2021，2024，2025；Glick等人，2023）。例如，它已被修改为将来自不透水区域的径流引导到改良过的、高渗透性的土壤中（Her等人，2017）。此外，SWAT还改进了了对用于景观灌溉的雨水桶和蓄水池的日内水文影响的模拟，展示了在从田地到流域尺度上模拟雨水收集和再利用对径流影响的强大性能（Li等人，2021）；该模型（Li等人，2021）进一步通过将SWMM的封闭管道排水网络（CPDN）模拟方法与SWAT结合（SWAT-CPDN），增强了其在城市雨水规划中的适用性，有助于决策者在流域尺度上实现长期可持续的城市雨水管理（Li等人，2024）。
尽管有这些改进，SWAT（Her等人，2017；Li等人，2021，2024）在准确模拟流域尺度上雨水花园的性能方面仍存在局限性。具体挑战包括表示雨水花园的实施区域、地表径流分布、旁路流量和孔口流量、渗透动态以及雨水花园水文过程的时间分辨率。此外，关键雨水花园设计参数如何影响长期排放量、峰值流量和CSO的减少尚未得到系统评估。这些关键雨水花园设计参数包括：（1）每个水文响应单元（HRU）中从透水和不透水区域流向雨水花园的径流比例；（2）改良土壤的深度；（3）雨水花园地表储存面积与每个HRU的透水面积的比例；（4）雨水花园地表储存层的深度和孔口距离地表储存层底部的高度；（5）改良土壤的类型。
本研究通过（1）提高SWAT在各种设计配置下模拟雨水花园水文性能的能力；（2）在一个城市流域中展示改进后的SWAT，以评估不同设计参数如何影响长期排放量、峰值流量和CSO的减少，来填补这些空白。我们假设改进后的模型能够更好地表示雨水花园的过程，并支持更明智和有效的可持续城市雨水管理决策。改进后的SWAT为决策者提供了在实地和流域尺度上优化雨水花园设计的宝贵工具，有助于减少排放量、峰值流量和CSO。这些进展通过实现更针对性和有效的雨水管理策略，增强了城市雨水的韧性。
SWAT模型的改进
表1和图1总结了当前（原始）SWAT的主要局限性以及为提高其在各种设计参数下模拟雨水花园水文性能而进行的相应改进。具体改进内容见2.1.1至2.1.5节。
改进后的SWAT与原始SWAT在校准/验证后在模拟实地规模的实验雨水花园时的表现
如图3所示，对于2013年9月2日和2013年9月28日的降雨事件，原始SWAT的模拟流量与观测流量的比较显示R2为0.02，NSE为?0.44，而改进后的SWAT的R2为0.57，NSE为0.47。根据月流量评估标准，R2在0.50到0.74之间被评为良好，NSE在0.25到0.49之间被评为一般（Parajuli等人，2009）。然而，这些
结论
本研究通过增强SWAT对关键过程的模拟能力，包括雨水花园实施区域、地表径流分布、旁路流量和孔口流量、渗透动态以及时间分辨率，提高了SWAT模拟雨水花园的能力。这些改进使得在各种设计参数下更准确地评估雨水花园的性能成为可能。改进后的SWAT使用来自实验雨水花园的观测数据在实地尺度上进行了校准/验证，
CRediT作者贡献声明
吴卓航：撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析。李思雨：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析。刘耀泽：撰写——审稿与编辑、监督、软件、资源管理、项目行政、方法论、调查、资金获取、概念化。艾玛·C·马图恩：撰写——审稿与编辑、软件、正式分析。马哈茂德·Z·阿尔-法尔西：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
